СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретения относятся к областям радиосвязи и могут быть использованы для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных частотных характеристиках нагрузки, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные средства радиосвязи с заданным количеством радиоканалов.

Известен способ генерации высокочастотного сигнала, основанный на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, организации внутренней обратной связи в нелинейном элементе путем использования в качестве него двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемого высокочастотного сигнала, и условий согласования нелинейного элемента с нагрузкой, (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - М.: «Дрофа», - 2006, с. 414-417).

Известно устройство генерации высокочастотного сигнала, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине падающего участка вольтамперной характеристики двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, реактивного четырехполюсника, нагрузки в виде параллельного колебательного контура, при этом параметры контура, двухполюсного нелинейного элемента и варикапа выбраны из условия обеспечения заданных амплитуды и частоты генерируемого высокочастотного сигнала, (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - М.: «Дрофа», - 2006, с. 414-417).

Принцип действия этого устройства состоит в следующем. При включении источника постоянного напряжения (тока) в силу скачкообразного изменения амплитуды во всей цепи возникают колебания, спектр которых занимает весь частотный радиодиапазон. Амплитуды этих колебаний быстро затухают. Однако, благодаря наличию внутренней обратной связи в двухполюсном нелинейном элементе на участке с падающей вольтамперной характеристикой возникает отрицательное дифференциальное сопротивление, которое в силу согласования с помощью реактивного четырехполюсника компенсирует потери в контуре. Благодаря этому, колебание с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура, усиливается до момента увеличения амплитуды этого колебания до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы падающего участка вольтамперной характеристики. Наступает стационарный режим.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ генерации высокочастотного сигнала, основанный на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, организации внешней положительной обратной связи между нагрузкой и управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемого высокочастотного сигнала, и условий согласования нелинейного элемента с нагрузкой (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - М.: «Дрофа», - 2006, с. 383-401).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство генерации высокочастотного сигнала, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине квазилинейного участка проходной вольтамперной характеристики транзистора, реактивного четырехполюсника, нагрузки в виде параллельного колебательного контура, RC - цепи внешней положительной обратной связи между нагрузкой и управляющим электродом транзистора, при этом параметры контура, транзистора и варикапа выбраны из условия обеспечения заданных амплитуды и частоты генерируемого высокочастотного сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - М.: «Дрофа», - 2006, с. 383-401).

Принцип действия этого устройства состоит в следующем. При включении источника постоянного напряжения (тока) в силу скачкообразного изменения амплитуды во всей цепи возникают колебания, спектр которых занимает весь частотный радиодиапазон. Амплитуды этих колебаний быстро затухают. Однако, благодаря наличию цепи положительной обратной связи, колебание с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура, поступает на управляющий электрод транзистора, который в силу согласования с помощью реактивного четырехполюсника начинает работать в режиме усиления до момента увеличения амплитуды этого колебания до уровня, при котором наступает режим насыщения (ограничения амплитуды). Наступает стационарный режим.

Недостатком указанных способов и устройств является генерация высокочастотного сигнала только на одной частоте. Кроме того, не указывается, каким образом необходимо выбирать значения параметров реактивного четырехполюсника, при которых наступает режим возбуждения и стационарный режим. Особенно остро возникает этот вопрос при проектировании устройств генерации в диапазонах ВЧ и УВЧ, на которых обязательно нужно учитывать реактивные составляющие параметров нелинейных элементов. В настоящее время классическая теория радиотехнических цепей это не учитывает. Еще одним недостатком следует считать отсутствие возможности генерации при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки.

Техническим результатом изобретения является повышение диапазона генерируемых колебаний, генерация высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные устройства генерации для средств радиосвязи с заданным количеством радиоканалов при любых заданных частотных характеристиках нагрузки, например, антенны. Возможность использования различных вариантов включения трехполюсного нелинейного элемента относительно четырехполюсника и различных видов обратной связи, а также выбор этих четырехполюсников комплексными расширяют возможности физической реализуемости этого результата

1. Указанный результат достигается тем, что в известном способе генерации высокочастотных сигналов, основанном на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, взаимодействии высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, выполненной из трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузкой и цепью внешней обратной связи, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемых высокочастотных сигналов, условий согласования цепи прямой передачи с нагрузкой и условий согласования нагрузки с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, дополнительно цепь прямой передачи выполняют в виде каскадно-соединенных комплексного четырехполюсника и трехполюсного нелинейного элемента, нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, параллельно подключенный к цепи прямой передачи, цепь прямой передачи и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление z_0n источника сигнала генератора в режиме усиления, и нагрузкой, условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз и условия согласования одновременно выполняют на заданном количестве частот за счет выбора значений сопротивлений второго двухполюсника, реализующего сопротивление z_0n, из условия обеспечения стационарного режима генерации в виде равенства нулю знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления одновременно на всех заданных частотах генерируемых высокочастотных сигналов при неизменной амплитуде источника постоянного напряжения в соответствии со следующими математическими выражениями:

где

a_n, b_n, c_n, d_n - заданные значения комплексных элементов классической матрицы передачи комплексного четырехполюсника в цепи прямой передачи на заданных частотах; - заданные значения комплексных элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента в цепи прямой передачи на заданных частотах; - заданные значения комплексных элементов матрицы проводимостей комплексного четырехполюсника цепи обратной связи на заданных частотах; z_нп - заданные значения комплексных сопротивлений второго двухполюсника на заданных частотах; n=1, 2…N - номера заданных частот.

2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве генерации высокочастотных сигналов, состоящем из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи из трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузки и цепи внешней обратной связи, дополнительно цепь прямой передачи выполнена в виде каскадно-соединенных комплексного четырехполюсника и трехполюсного нелинейного элемента, нагрузка выполнена в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, параллельно подключенный к цепи прямой передачи, цепь прямой передачи и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление z_0n источника сигнала генератора в режиме усиления, и нагрузкой, второй двухполюсник с комплексным сопротивлением z_0n выполнен из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R₁, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с заданным сопротивлением Z_0n=R_0n+jX_0n и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R₂ и катушки с индуктивностью L, а значения параметров определены из условия равенства нулю знаменателя коэффициента передачи на двух частотах с помощью следующих математических выражений:

где

a_n, b_n, c_n, d_n - заданные значения комплексных элементов классической матрицы передачи комплексного четырехполюсника в цепи прямой передачи на заданных частотах ƒ_n; ω_n=2πƒ_n; - заданные значения комплексных элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента в цепи прямой передачи на заданных частотах; - заданные значения комплексных элементов матрицы проводимостей комплексного четырехполюсника цепи обратной связи на заданных частотах; z_нп - заданные значения комплексных сопротивлений нагрузки на заданных частотах; R_r1, R_r2, X_r1, X_r2 -оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления z_0n второго двухполюсника на двух частотах; n=1, 2 - номера заданных частот.

На фиг. 1 показана схема устройства генерации высокочастотных сигналов (прототип), реализующего способ-прототип.

На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого устройства генерации по п. 2, реализующая предлагаемый способ по п. 1.

На фиг. 3 приведена схема комплексного двухполюсника, реализующего на двух частотах оптимальные значения сопротивления источника сигнала генератора в режиме усиления, схема которого представлена на фиг. 2.

Устройство-прототип (Фиг. 1), реализующее способ-прототип, содержит цепь прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента VT-1, подключенного к источнику постоянного напряжения-2, первого согласующе-фильтрующего устройства (СФУ)-3 (первого реактивного четырехполюсника или первого согласующего четырехполюсника) и колебательного контура на элементах L-4, R-5, C-6, который является нагрузкой-7. Первое СФУ-3 включено между выходным электродом трехполюсного нелинейного элемента и нагрузкой. Между нагрузкой и управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента включено второе СФУ-9 (второй реактивный четырехполюсник или второй согласующий четырехполюсник) с подключенными к ее входу первым двухполюсником-8 и к выходу вторым двухпоюсником-10 с комплексными сопротивлениями в поперечные цепи. Все это вместе образует цепь внешней обратной связи. Первый двухполюсник-8 подключен к нагрузке. Второй двухполюсник-10 подключен к управляющему электроду трехполюсного нелинейного элемента.

Принцип действия устройства генерации высокочастотных сигналов (прототипа), реализующего способ-прототип, состоит в следующем.

При включении источника постоянного напряжения-2 в силу скачкообразного изменения амплитуды во всей цепи возникают колебания, спектр которых занимает весь частотный радиодиапазон. Амплитуды этих колебаний быстро затухают. Однако, благодаря наличию внешней обратной связи, согласования с помощью первого реактивного четырехполюсника-3 выходного электрода трехполюсного нелинейного элемента и нагрузки (цепи прямой передачи), согласования с помощью цепи обратной связи (первого двухполюсника-8 с комплексным сопротивлением, второго реактивного четырехполюсника-9 и второго двухполюсника-10 с комплексным сопротивлением) нагрузки и управляющего электрода трехполюсного нелинейного элемента компенсируются потери в контуре L-4, R-5, C-6. Благодаря этому обратная связь становится положительной и реализуются условия баланса фаз и амплитуд- условия возбуждения электромагнитных колебаний. В результате колебание с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура, подается на управляющий электрод трехполюсного нелинейного элемента, который на начальном этапе работает в режиме усиления. Амплитуда этого колебания усиливается до момента ее увеличения до уровня, при котором наступает режим ограничения трехполюсного нелинейного элемента. Наступает стационарный режим генерации.

Недостатки способа-прототипа и устройства его реализации описаны выше. Предлагаемое устройство по п. 2 (фиг. 2), реализующее предлагаемый способ по п. 1, содержит цепь прямой передачи из каскадно-соединенных комплексного четырехполюсника-11 с известными элементами классической матрицы передачи а_n, b_n, с_n, d_n на заданных частотах генерируемых сигналов и трехполюсного нелинейного элемента-1 с известными элементами матрицы проводимостей на заданных частотах генерируемых сигналов, подключенного к источнику постоянного напряжения-2 (на фиг. 2 не показан). Цепь прямой передачи из нелинейного элемента-1 и четырехполюсника-11 параллельно соединена по высокой частоте с цепью внешней обратной связи (входы соединены параллельно и выходы - параллельно), выполненной в виде произвольного комплексного четырехполюсника-12, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями. Цепь прямой передачи и цепь внешней обратной связи как единый узел каскадно включены по высокой частоте между источником входного высокочастотного сигнала в режиме усиления с оптимальным сопротивлением z_0n=r_0n+jx_0n-13 (второй двухполюсник с комплексным сопротивлением) на заданных частотах, имитирующим сопротивление источника высокочастотных колебаний, возникающих при включении источника постоянного напряжения-2 в момент скачкообразного изменения амплитуды его напряжения в режиме генерации, и нагрузкой-14, с произвольными сопротивлениями z_нп=r_нп+jx_нп (первый двухполюсник с комплексным сопротивлением) на заданных частотах. Произвольный четырехполюсник-12 тоже характеризуется известными значениями элементов матрицы сопротивлении , на заданных частотах (n=1, 2 - номер частоты). Сопротивление z_0n (второй двухполюсник с комплексным сопротивлением) реализовано (фиг. 3) из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R₁, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с заданным сопротивлением Z_0n=R_0n+jX_0n и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R₂ и катушки с индуктивностью L. а значения параметров определены из условия равенства нулю знаменателя коэффициента передачи на двух частотах с помощью специальных математических выражений. Синтез генератора (выбор значений параметров R₁, C, L, R₂ и схемы формирования z_0n (фиг. 3) осуществлен по критерию обеспечения баланса амплитуд и баланса фаз путем реализации равенства нулю знаменателя коэффициента передачи устройства генерации в режиме усиления одновременно на заданных частотах генерируемых сигналов при постоянной амплитуде напряжения питания. Выбор значений элементов матриц проводимостей комплексных четырехполюсников-11, 12 или их схем и значений параметров элементов можно осуществлять произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений. В данном изобретении эти значения выбираются из условий физической реализуемости. В режиме генерации источник входного высокочастотного сигнала отключается и вместо него устанавливается короткозамыкающая перемычка.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

При включении источника постоянного напряжения-2 (на фиг. 2 не показан) в силу скачкообразного изменения амплитуды во всей цепи возникают колебания, спектр которых занимает весь частотный радиодиапазон. Амплитуды этих колебаний быстро затухают. Однако, благодаря наличию внешней обратной связи и в силу указанного выбора значений параметров R₁, C, L, R₂ и схемы формирования двухполюсника-13 (фиг. 3) обратная связь становится положительной что эквивалентно возникновению в цепи отрицательной проводимости (g₂₁ или g₁₂), которое компенсирует потери во всей цепи одновременно на двух заданных частотах. Поэтому амплитуды колебаний с заданными частотами усиливаются до определенных уровней и затем ограничиваются. Благодаря этому, колебания с заданными двумя частотами усиливаются до момента увеличения амплитуд этих колебаний до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка проходной вольтамперной характеристики. Наступает стационарный режим. Окончательно в результате взаимодействия сигналов на двух частотах с нелинейным элементом в режиме генерации возникают продукты нелинейного взаимодействия с комбинационными частотами ω_n=Iω₁±Kω₂, I, К=0, 1, 2…. Так как двухполюсник-14 и четырехполюсники-11, 12 выбраны комплексными, то это приводит к увеличению области физической реализуемости стационарного режима генерации на заданном количестве частот при произвольной нагрузке. Докажем возможность реализации указанных свойств. Пусть цепь прямой передачи, состоящая из каскадно-соединенных между собой КЧ и трехполюсного нелинейного элемента, подключена к цепи обратной связи параллельно (фиг. 2). Введем обозначения зависимостей сопротивления источника сигнала в режиме усиления z₀=r₀+jx₀, нагрузки z_n=r_n+jx_n и известных зависимостей элементов матриц проводимостей трехполюсного нелинейного элемента и цепи обратной связи , от частоты. Нелинейный элемент описывается матрицей проводимостей и соответствующей матрицей передачи:

где

Комплексный четырехполюсник (КЧ) характеризуется известной матрицей передачи:

где a, b, c, d - комплексные элементы классической матрицы передачи.

Для цепи прямой передачи элементы ненормированной классической матрицы передачи получаются путем перемножения матриц передачи (1) и (2):

Соответствующие элементы матрицы проводимостей цепи прямой передачи (вторые слагаемые в (4)) и элементы матрицы проводимостей цепи ОС складываются:

где |a|=a₁₁а₂₂-a₁₂а₂₁.

Ненормированные элементы матрицы передачи всего устройства:

где |у|=у₁₁у₂₂-y₁₂y₂₁. С учетом условий нормировки получим общую нормированную матрицу передачи всего устройства:

Передаточная функция генератора в режиме усиления:

Знаменатель (7) можно привести к виду, соответствующему иммитансному критерию устойчивости (Куликовский А.А. Устойчивость активных линеаризованных цепей с усилительными приборами нового типа. - М.-Л.: ГЭИ, 1962, 192 с.):

Первое слагаемое - это комплексное сопротивление пассивной части (сопротивление источника сигнала в режиме усиления). Второе слагаемое-это входное сопротивление активной части устройства (остальной части генератора справа от z₀). Иммитансный критерий устойчивости (8) соответствует балансу амплитуд и фаз (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.:«Дрофа», 2006, с. 386):

Из равенства нулю знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления можно найти ограничение на любую из используемых величин, например на z₀:

Решение (10) имеет смысл зависимостей величин z_0n от частоты, оптимальных по критерию обеспечения генерации сигнала во всем спектре частот. Сопротивление z_нп может быть выбрано произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений. Индекс n необходимо ввести и в другие обозначения физических величин, явным образом зависящих от частоты. Физический смысл решения (10) состоит также в том, что частотная зависимость комплексного сопротивления нагрузки должна быть равной частотной зависимости входного комплексного сопротивления остальной части генератора справа от z₀, взятой с обратным знаком. При этом обеспечивалась бы генерация на всем спектре частот. Однако реализация (10) в сплошной, даже очень узкой полосе частот, не возможна. Для реализации оптимальной аппроксимации (10) на конечном числе частот методом интерполяции необходимо сформировать двухполюсник с сопротивлением z_0n из не менее, чем 2N (n=1, 2…N; N - число частот интерполяции) элементов типа R, L, C, найти выражения для его сопротивления, приравнять его оптимальным значениям сопротивлений двухполюсника на заданных частотах, определенным по формулам (10), и решить сформированную таким образом систему 2N уравнений относительно 2N выбранных параметров R, L, C. Значения параметров остальных элементов могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений, например, из условия физической реализуемости.

Пусть двухполюсник с сопротивлением z₀ сформирован из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R₁, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с сопротивлением Z₀=R₀+jX₀ и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R₂ и катушки с индуктивностью L (фиг. 3). Комплексное сопротивление этого двухполюсника:

Разделим в (11) между собой действительную и мнимую части и составим систему четырех уравнений:

Решение:

где

r₁=R_r1-R₀₁, r₂=R_r2-R₀₂, x₁=X_r1-X₀₁, x₂=X_r2-X₀₂; R_r1, R_r2, X_r1, X_r2 - оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления z_нп нагрузки на двух частотах: R_vn=Re(z_0n); Х_vn=Im(z_0n); n=1, 2 - номера заданных частот ƒ_n; ω_n=2πƒ_n.

Реализация оптимальных аппроксимаций частотных характеристик сопротивления источника сигнала генератора в режиме усиления (10) с помощью (11), (13), обеспечивает реализацию условия баланса амплитуд и баланса фаз одновременно на двух заданных частотах. В результате взаимодействия сигналов на двух частотах с нелинейным элементом в режиме генерации возникают продукты нелинейного взаимодействия с комбинационными частотами ω_n=Iω₁±Kω₂, 1, К=0, 1, 2…

Предлагаемые технические решения являются новыми, поскольку из общедоступных сведений неизвестны способ и устройство генерации высокочастотных колебаний, обеспечивающие генерацию сигналов на заданном количестве частот при использовании произвольных комплексных четырехполюсников в цепи прямой передачи и цепи обратной связи и произвольного комплексного двухполюсника в качестве сопротивления источника сигнала генератора в режиме усиления, причем цепь прямой передачи выполнена из каскадно-соединенных комплексного четырехполюсника и трехполюсного нелинейного элемента и соединена с цепью обратной связи по параллельной схеме (фиг. 2), цепь прямой передачи и цепь обратной связи как единое целое включены между сопротивлением, выполненным в виде комплексного двухполюсника, показанного на фиг. 3, источника сигнала генератора в режиме усиления и нагрузкой. Значения параметров этого двухполюсника выбраны в соответствии со специальными математическими выражениями.

Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций (выполнение устройства генерации в виде, показанном на фиг. 2, выполнение четырехполюсников в цепи прямой передачи и цепи обратной связи комплексными, использовании произвольного комплексного сопротивления для имитации сопротивления источника сигнала в режиме усиления, формирования этого сопротивления из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R₁, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с сопротивлением Z₀=R₀+jX₀ и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R₂ и катушки с индуктивностью L (фиг. 3),, выбора значений параметров R₁, C, L, R₂ из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах при неизменном состоянии нелинейного трехполюсного элемента), обеспечивает одновременно формирование высокочастотных сигналов на заданных частотах при постоянной амплитуде источника постоянного напряжения и расширение области физической реализуемости.

Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью нелинейные трехполюсные элементы (лампы или транзисторы), индуктивности, резисторы и емкости, сформированные в заявленную схему генератора. Оптимальные значения параметров индуктивностей, резистивных элементов и емкостей, входящих в схему формирования второго комплексного двухполюсника, могут быть однозначно определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.

Технико-экономическая эффективность предложенных способа и устройства заключается в одновременном обеспечении генерации высокочастотного сигнала на заданном количестве частот за счет выбора схемы и значений параметров элементов R, L, C второго комплексного двухполюсника по критерию обеспечения условий баланса фаз и амплитуд на этих частотах при неизменном состоянии нелинейного трехполюсного элемента, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать средства радиосвязи, функционирующие на заданном количестве радиоканалах при расширении области физической реализуемости и произвольных характеристиках нагрузки.